基本逻辑
QEMU作为VMM启动基于KVM的虚机，QEMU的作用仅仅在于配置虚机，虚机的数据面基本上都由
硬件承载了。QEMU通过下发各种KVM ioctl配置虚机的vCPU、GIC、Timer、内存、SMMU以及
IO。当然QEMU是可以支持KVM和软件模拟混合的，比如可以vCPU、memory使用硬件加速，IO
使用软件模拟。
当前QEMU-KVM的ARM系统上，基本上所有部件用硬件加速，每个部件都会使用少量软件模拟
补齐完整功能。
基础数据结构
accel类的继承关系：
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| TYPE_OBJECT <- TYPE_ACCEL <- TYPE_KVM_ACCEL
|
machine类的继承关系：
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| TYPE_OBJECT <- TYPE_MACHINE <- TYPE_VIRT_MACHINE
|
ARM核的数据结构大概是如下：
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| typedef struct CPUArchState { <--- 这个是env
...
xregs[32] <--- v8的32个64bit寄存器
pc;
pstate;
... 各种系统寄存器 ... <--- 和下面的list寄存器的区别？
} CPUArchState;
struct ArchCPU { <--- ARMCPU，一般是cpu指针
CPUState parent_obj;
CPUArchState env;
GHashTable *cp_regs; <--- list寄存器，是一个hash表
uint64_t *cpreg_indexes;
uint64_t *cpreg_values;
...
struct ARMISARegisters {
} isar; <--- cpu->isar
midr;
revidr;
ctr;
clidr;
...
}
|
qemu里CPU的数据结构是用面向对象的方式组织起来，类的关系是：
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| TYPE_DEVICE <- TYPE_CPU <- TYPE_ARM_CPU <- TYPE_AARCH64_CPU <- 各种aarch64的具体CPU类型
|
最后面的各种类定义在target/arm/cpu64.c里的ARMCPUInfo aarch64_cpus[], 比如有：cortex-a57，
host等。
CPU实例的初始化函数会调用如上ARMCPUInfo结构里的initfn函数，拿host看下：
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| aarch64_host_initfn
/* 通过ioctl拿到KVM里系统寄存器的缓存值，保存到cpu->isar里。*/
+-> kvm_arm_set_cpu_features_from_host
+-> kvm_arm_get_host_cpu_features
/* ioctl KVM_GET_ONE_REG */
+-> read_sys_reg64
|
可以看到这里host语义就是虚拟机和host的CPU feature一致，通过KVM_GET_ONE_REG ioctl
得到的值是kvm->kvm_arch->id_reg里的值，这些值在vCPU初始化的时候，被更新为host上对应
寄存器的值。
可以看到aarch64_a57_initfn里直接定义了a57需要支持的CPU特性。
虚机的数据结构为：
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| struct VirtMachineState {
MachineState parent;
Notifier machine_done;
...
}
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初始化和启动流程
如下是qemu启动中，虚机和vCPU创建的基本逻辑：
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| main
+-> qemu_init
...
+-> qemu_create_machine
|
+-> configure_accelerators
| +-> do_configure_accelerator
| +-> accel_init_machine
| /*
| * accel类的关系是：TYPE_ACCEL <- TYPE_KVM_ACCEL, 这里调用kvm accel
| * class里的kvm_init。(accel/kvm/kvm-all.c)
| *
| * kvm_init里打开/dev/kvm，并通过KVM_CREATE_VM ioctl获得vmfd，
| * 调用kvm_arch_init，初始化脏页跟踪的数据结构。
| *
| * /dev/kvm的fd和vm的fd保存在KVMState中，分别是fd和vmfd。
| */
| +-> acc->init_machine
| ...
| +-> kvm_arch_init <--- VM相关的cap探测和使能在这里
| +-> kvm_irqchip_create
| +-> kvm_memory_listener_register
|
+-> qmp_x_exit_preconfig
| +-> qemu_init_board
| ...
| +-> create_default_memdev <--- 在这里实际分配host内存(A)
| +-> memory_region_init_ram
| ...
| +-> machine_run_board_init
| +-> machine_class->init(machine) <--- 函数指针，在hw/arm/virt.c virt_machine_class_init里
| +-> machvirt_init <--- 初始化虚机上的各个设备，包括如下调用arm_cpu_realizefn，拉起vCPU线程，虚机内存注册等。
| 注意，vCPU这里没有实际投入运行，实际运行在下面，具体又分为热迁移迁入端(A)和普通虚机启动(B)。
|
| +-> qemu_machine_creation_done
| +-> qdev_machine_creation_done
| +-> cpu_synchronize_all_post_init
| /*
| * 调用accel/kvm/kvm-accel-ops.c里的kvm_cpu_synchronize_post_init
| * 的回调把kvm_arch_put_registers放到vcpu的work_list里。
| */
| +-> cpu_synchronize_post_init
|
| +-> if (incoming) <--- 如果是热迁移的迁入端，做相应的准备工作(A)
| +-> qmp_migrate_incoming
| +-> todo: ...
| +-> vm_start
|
| else <--- 如上流程中拉起的vCPU线程中vCPU并没有投入运行，这里
| +-> qmp_cont 才实际上促使vCPU运行起来。(B)
| +-> vm_start
| +-> resume_all_vcpus
| +-> cpu_resume
| +-> qemu_cpu_kick
|
+-> accel_setup_post
...
+-> qemu_main
+-> main_loop_wait
|
machvirt_init展开如下：
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| /* hw/arm/virt.c */
machvirt_init
/* 创建虚机上的各个设备 */
....
+-> object_new(possible_cpus->cpus[n].type) <--- hw/arm/virt.c, 创建vCPU QOM实例
+-> qdev_realize(DEVICE(cpuobj), ...) <--- hw/arm/virt.c, realize触发arm_cpu_realizefn
|
vCPU线程在vCPU的realize函数中创建，线程函数是accel/kvm/kvm-accel-ops.c里的
kvm_start_vcpu_thread。这个是vCPU实际开始运行的位置。
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| /* target/arm/cpu.c */
arm_cpu_realizefn
+-> qemu_init_vcpu
+-> cpus_accel->create_vcpu_thread <-- kvm_vcpu_thread_fn in kvm-accel-ops.c
+-> kvm_init_vcpu
+-> kvm_create_vcpu
+-> kvm_vm_ioctl(s, KVM_CREATE_VCPU, vcpu_id)
+-> kvm_arch_init_vcpu
+-> kvm_check_extension <-- vCPU相关的特性的init，vCPU CAP的检测也可以放这里。
+-> kvm_arm_vcpu_init <-- KVM_ARM_VCPU_INIT ioctl
/* 拿到kvm里的寄存器信息，并更新到cpreg里 */
+-> kvm_arm_init_cpreg_list
/* vCPU执行的核心循环 */
do {
+-> kvm_cpu_exec
+-> kvm_arch_put_registers(cpu, KVM_PUT_RUNTIME_STATE)
+-> kvm_vcpu_ioctl(cpu, KVM_RUN, 0)
/* 处理vCPU退出 */
+-> switch (run->exit_reason)
case ...
case ...
+-> qemu_wait_io_event
+-> qemu_wait_io_event_common
/*
* 执行之前放入vcpu work_list里的任务，执行kvm_arch_put_registers。
* 语义是把CPUState中的寄存器保存到list寄存器，再把list寄存器的
* 数据通过ioctl KVM_SET_ONE_REG配置到KVM里。
*/
+-> process_queued_cpu_work
}
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展开看下kvm_arch_put_registers的细节：
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| kvm_arch_put_registers
+-> write_cpustate_to_list
/* 得到系统寄存器对应ARMCPRegInfo描述结构 */
+-> ri = get_arm_cp_reginfo
/* 基本上对于CPU ID寄存器，是从cpu->isar.xxx的域段得到值 */
+-> newval = read_raw_cp_reg
+-> if (kvm_sync)
+-> cpu->cpreg_values[i] = newval
+-> write_list_to_kvmstate
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系统寄存器访问
从get_arm_cp_reginfo可以看出，系统寄存器被保存在名为cp_regs的一个哈希表里，这个
函数就是通过指令的各个域段作为key找到相关系统寄存器的描述结构体，寄存器的相关操
作函数都定义在这个结构体里，在系统初始化的时候插入到cp_regs哈希表里:
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| /* target/arm/cpu.c */
arm_cpu_realizefn
+-> register_cp_regs_for_features
/* 在V8这个分支定义相关和注册的寄存器 */
+-> if (arm_feature(env, ARM_FEATURE_V8))
[...]
/* 底层就是把定义的寄存器插入到cp_regs哈希表里 */
+-> define_arm_cp_regs
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内存模拟
基于KVM的QEMU虚机，会在QEMU里定义内存的基本拓扑、创建虚机内存管理基本框架，但是
实际虚机内存管理数据面上的行为还是由KVM承载。
QEMU中内存定义
qemu里内存模拟相关的基本数据结构有：AddressSpace/MemoryRegion/MemoryListener/MemorySlot等。
AddressSpace表示地址空间，收集归拢MemoryRegion和MemoryListener等。MemoryRegion表示
地址空间上的一段子空间，比如一个外设的MMIO空间就可以是一个MemoryRegion，一段内存
也可以是一个MemoryRegion。MemoryListener向AddressSpace注册一组回调函数，当AddressSpace
发生变化的时候，调用对应的回调函数，完成相关操作。
虚机的内存布局一般定义在虚拟机器平台里，比如，ARM上我们常用的virt就是一种虚拟机器
平台(hw/arm/virt.c)。virt的物理地址空间可能是如下，一般定义在virt.c的base_memmap[]。
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| [...]
0x00000000 - 0x08000000 flash/ROM
0x08000000 - 0x0a000000 GIC(GICD, GICC, GICV2M, GICH, GICV, ITS, GICR)
0x09000000 - 0x09060000 UART, RTC, fw_cfg, GPIO, SMMU
0x0a000000 - 0x0c000000 virtio MMIO (每块512B, 共512个)
0x0c000000 - 0x0e000000 platform bus
0x0e000000 - 0x10000000 secure memory
0x10000000 - 0x40000000 PCIe (MMIO+IO+ECAM)
/*
* 注意，这里定义的内存的起点。内存大小/NUMA/大页等需要根据qemu cmdline传入的参数
* 在如上A处初始化。
*/
0x40000000+ RAM (1 GiB起)
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根MemoryRegion和AddressSpace的创建，初始化address_space_memory/address_space_io/
system_memory/system_io，前两者是address space，后两者是memory region。
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| memory_map_init // system/physmem.c
+-> system_memory = container, size=UINT64_MAX <--- 所有内存树的根
+-> address_space_init(&address_space_memory, system_memory, "memory")
+-> system_io (I/O空间, 64K)
+-> address_space_init(&address_space_io, system_io, "I/O")
|
Host KVM中的虚机内存管理
如上地址空间中定义的内存，需要qemu分配host内存来支持，所以被分配出来的虚机内存实际
上有多个访问或管理接口：最核心的是guest内的访存指令直接访问，第二个是KVM hyp的管理，
第三个是qemu进程访问，第四个是host内核内存管理机制的管理。
如下是KVM虚拟内存管理示意图：
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| +----------------------------------------------------------------------+
| QEMU process |
| | | |
| QEMU main thread | vCPU0 thread | vCPU1 thread |
| | (host EL0) | (host EL0) |
| | | |
| +----------------+ <-- host VA | | |
| \ \ | | |
| \ \ | | |
+----------------------------------+-----------------+-----------------+
| \ \ | | |
| \ \ | +----+ | +----+ | <-- guest VA
| \ \ | \ | / | |
| \ host S1 map \ | \ | / | | guest S1 map
| ... ... | \ / KVM | v
| \ \ | +----------------+ | <-- IPA
| \ \ +------------ / --------------------+ |
| \ -------+------------/ HYP | |
| \ / \ | | | guest S2 map
+-------------------------/--------+-----------------------------------+ |
| \ / \ | v
| Memory +----------------+ | <-- PA
| |
+----------------------------------------------------------------------+
|
虚机的物理地址是在QEMU主线程里分配的一段QEMU进程的虚拟地址，IPA的地址是在QEMU里
定义的，QEMU通过ioctl(KVM_SET_USER_MEMORY_REGION)把这个信息传递给KVM。
直观上看，虚机内会自己管理自己的S1 map，KVM hypervisor会管理虚机的S2 map。虚机内存
实际上是QEMU进程的内存，对应的内存会受到host内核各种内存管理机制的管理，比如，透明
大页、传统大页、页面迁移等。host内核内存管理如果涉及到guest物理内存，需要通过mmu
notifier的机制通知到KVM hypvisor，hypervisor一般的应对手段是unmap掉对应的guest S2 map。
KVM memslot的同步 — MemoryListener机制(accel/kvm/kvm-all.c):
kvm_init阶段通过kvm_memory_listener_register注册一个KVMMemoryListener到address_space_memory上。
该listener的回调函数将QEMU的内存变更转化为KVM ioctl。
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| kvm_init
[...]
+-> kvm_memory_listener_register
+-> 创建kvm listener，增加相关回调kvm_region_add/del/commit, kvm_log_start/stop/sync/clear/sync_global等
+-> memory_listener_register(&kml->listener, &address_space_memory)
/* 注册时立即同步当前已有的FlatView */
+-> listener_add_address_space -> kvm_region_add -> kvm_set_phys_mem
|
machvirt_init调用memory_region_add_subregion的逻辑，最后会调用到如上注册的kvm_region_commit，
其中会调用kvm ioctl把这段内存注册给内核KVM。machvirt_init里内存相关操作(hw/arm/virt.c)如下：
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| machvirt_init
/*
* 这里的system就是如上创建的system_memory，system_memory是整个地址空间？
* machine->ram是内存对应的MemoryRegion。
*/
+-> memory_region_add_subregion(sysmem, VIRT_MEM.base, machine->ram)
/* 每个设备通过sysbus_mmio_map把各自的MMIO region挂到sysmem下 */
+-> create_gic -> sysbus_mmio_map -> memory_region_add_subregion
+-> create_uart -> memory_region_add_subregion
+-> create_rtc
+-> create_pcie
+-> create_smmu
+-> create_virtio_devices
+-> create_platform_bus
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memory_region_add_subregion逻辑展开如下：
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| memory_region_add_subregion / sysbus_mmio_map
[...]
+-> memory_region_transaction_commit <--- 内存树变更完成时触发
+-> address_space_update_topology_pass
/* 遍历FlatView，对每个FlatRange调用MEMORY_LISTENER_UPDATE_REGION */
+-> kvm_region_add <--- 排队到transaction_add
+-> MEMORY_LISTENER_CALL_GLOBAL(commit) <--- 全局commit
+-> kvm_region_commit
/* 先删后加，处理重叠区域 */
+-> kvm_set_phys_mem(mem, section, add)
/* 关键过滤: 非RAM区域直接跳过, 不注册KVM memslot */
+-> if (!memory_region_is_ram(mr)) return
/* RAM区域分配KVMSlot, 调用KVM_SET_USER_MEMORY_REGION ioctl */
+-> kvm_set_user_memory_region -> KVM_SET_USER_MEMORY_REGION
|
注意，MMIO region不会传给KVM，客户机访问MMIO时发生VM exit，由QEMU的MemoryRegionOps->read/write处理。
只有RAM通过KVM memslot映射到host的QEMU进程地址空间。
KVMSlot结构(include/system/kvm_int.h):
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| start_addr <--- GPA起始地址
memory_size <--- 区域大小
ram <--- host虚拟地址 (QEMU进程的mmap地址)
slot <--- KVM slot编号
flags <--- KVM_MEM_LOG_DIRTY_PAGES等
ram_start_offset <--- 在RAMBlock里的偏移
guest_memfd <--- KVM_SET_USER_MEMORY_REGION2专用
|
KVM运行时的内存管理基本在KVM hypvisor内处理，注意的骨架是各种KVM S2 PTW(page table walk)、
host内存管理和KVM hypvisor的交互。
热迁移相关的内存管理逻辑在另外的文章中总结。
GIC模拟
QEMU-KVM虚拟化中，GIC有两种模拟方式：in-kernel irqchip和用户态模拟。in-kernel irqchip
将GICD/GICR的MMIO访问直接在KVM处理，避免退出到QEMU处理。用户态模拟在TCG或KVM不支持
in-kernel irqchip时使用。
GIC版本选择(finalize_gic_version, hw/arm/virt.c):
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| finalize_gic_version
/* KVM + in-kernel irqchip时, 通过ioctl探测host支持的GIC版本 */
+-> kvm_arm_vgic_probe <--- KVM_DEV_ARM_VGIC_GRP_NR_IRQS
/* KVM不支持in-kernel irqchip时只支持GICv2 */
/* TCG下GICv2总是可用, GICv3需检查arm-gicv3模块 */
|
选出的版本决定了设备class:
- GICv2: kvm-arm-gic (KVM)或arm_gic (TCG)
- GICv3: kvm-arm-gicv3 (KVM)或arm-gicv3 (TCG)
GIC创建(create_gic, hw/arm/virt.c):
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| create_gic
+-> 选设备class名(gic_class_name/gicv3_class_name)
+-> 设置属性(revision, num-cpu, num-irq, redist-region-count...)
+-> sysbus_realize_and_unref
| /* KVM路径: kvm_arm_gicv3_realize in arm_gicv3_kvm.c */
| +-> kvm_create_device(KVM_DEV_TYPE_ARM_VGIC_V3)
| +-> kvm_device_access(KVM_DEV_ARM_VGIC_GRP_CTRL, KVM_DEV_ARM_VGIC_CTRL_INIT)
| /* 把GIC的MMIO region注册给KVM */
| +-> kvm_arm_register_device(iomem_dist, KVM_VGIC_V3_ADDR_TYPE_DIST)
| +-> kvm_arm_register_device(redist_iomem, KVM_VGIC_V3_ADDR_TYPE_REDIST)
| /* 配置IRQ路由 */
| +-> kvm_irqchip_add_irq_route (for each SPI)
+-> sysbus_mmio_map (GICD @ 0x08000000, GICR @ 0x080A0000)
+-> wiring: CPU timer PPI -> GIC -> CPU IRQ/FIQ
|
要点: KVM in-kernel GIC创建后，GICD/GICR的MMIO访问直接在KVM里处理，不需要
VM exit到QEMU。中断注入通过kvm_arm_gicv3_set_irq -> kvm_arm_set_irq -> KVM
ioctl实现。
KVM GICv3的寄存器访问(热迁移/调试用):
KVM_DEV_ARM_VGIC_GRP_DIST_REGS — distributor寄存器
KVM_DEV_ARM_VGIC_GRP_REDIST_REGS — redistributor寄存器(用MPIDR选CPU)
KVM_DEV_ARM_VGIC_GRP_CPU_SYSREGS — CPU interface系统寄存器
KVM_DEV_ARM_VGIC_GRP_LEVEL_INFO — 中断线电平
ITS (arm_gicv3_its_kvm.c):
- KVM in-kernel ITS: kvm_create_device(KVM_DEV_TYPE_ARM_VGIC_ITS)
- MSI注入: kvm_its_send_msi -> KVM_SIGNAL_MSI ioctl (带device ID)
- 设置 kvm_msi_use_devid=true, kvm_gsi_direct_mapping=false
SMMU模拟
QEMU的SMMU模拟主要分软件模拟和硬件加速两条路径：软件模拟通过IOMMUMemoryRegion的
translate回调完成地址翻译；硬件加速(smmuv3-accel)通过iommufd将翻译卸载到物理SMMUv3硬件。
SMMU创建(create_smmu, hw/arm/virt.c):
- 条件: -machine iommu=smmuv3 时 vms->iommu == VIRT_IOMMU_SMMUV3
- MMIO位于 0x09050000 (VIRT_SMMU), 4个SPI中断(irq 74-77)
- 默认stage=”nested”, 挂到PCIe primary bus
SMMU类继承:
TYPE_ARM_SMMUV3 <- TYPE_ARM_SMMU <- TYPE_SYS_BUS_DEVICE
SMMUv3State包含SMMUState作为首个字段(C继承), SMMUState包含:
configs (STE/CD缓存), iotlb (TLB缓存), smmu_pcibus_by_busptr,
iommu_ops (PCIIOMMUOps)
SMMU与PCIe的IOMMU挂钩(smmu_base_realize, smmu-common.c):
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| smmu_base_realize
+-> pci_setup_iommu(primary_bus, &smmu_ops, s)
/* smmu_ops = { .get_address_space = smmu_find_add_as } */
/*
* PCI设备DMA时调用pci_device_iommu_address_space()
* 沿PCI总线树向上找到iommu_ops -> get_address_space()
* 返回SMMUDevice->as, 这个AddressSpace的后端是IOMMUMemoryRegion
*/
smmu_find_add_as <--- smmu-common.c
+-> smmu_init_sdev -> memory_region_init_iommu <--- 创建IOMMUMemoryRegion
/* IOMMUMemoryRegion的translate回调 = smmuv3_translate */
|
SMMU翻译流程(smmu_translate, smmu-common.c):
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| smmuv3_translate <--- smmuv3.c
/* 检查CR0.SMMUEN, 如果禁用则检查GBPA.ABORT */
+-> smmuv3_get_config <--- 从缓存或客户机内存解码STE/CD
+-> smmuv3_do_translate
+-> smmu_translate <--- smmu-common.c
/* 先在模拟IOTLB里找 */
+-> smmu_iotlb_lookup
/* 未命中则做PTW(页表遍历) */
+-> smmu_ptw
+-> smmu_ptw_64_s1 (VMSAv8-64 stage-1)
+-> smmu_ptw_64_s2 (stage-2)
+-> combine_tlb (nested: 组合S1+S2结果)
+-> smmu_iotlb_insert
/* 故障记入event queue, 触发SMMU_IRQ_EVTQ */
+-> smmuv3_record_event
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命令队列(CmdQ, 客户机->SMMU)和事件队列(EvtQ, SMMU->客户机):
- 客户机通过CMDQ_BASE/CMDQ_PROD提交命令, SMMU处理并更新CMDQ_CONS
- 翻译故障时SMMU写入EVENTQ_BASE处的循环缓冲区, 触发事件中断
- 命令16字节, 事件32字节
StreamID: SMMU用PCI BDF (bus:dev.fn)作为StreamID, 每个PCI设备有独立的SMMUDevice
硬件加速(accel=on, smmuv3-accel.c):
- 需要iommufd支持的KVM
- 将真实SMMUv3硬件配置为nested模式，VFIO直通设备直接使用硬件SMMU
- 嵌套: KVM模拟S1翻译, 硬件处理S2翻译
- 此模式下热迁移被禁止
SMMU的qemu模拟逻辑可以参考这里。
todo: 基于iommufd的vSMMU逻辑
热迁移的逻辑
所有热迁移涉及的部件都有一个VMStateDescription结构，qemu用这个结构描述热迁移的相
关信息，ARM的定义在target/arm/machine.c里。
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| VMStateDescription vmstate_arm_cpu
/*
* 源端会把kvm里的CPU寄存器得到，并保存在list寄存器，最后保存到热迁移专用
* 的cpreg_vmstate_indexes/values等寄存器。
*/
+-> cpu_pre_save
+-> write_kvmstate_to_list
+-> memcpy(cpreg_vmstate_indexes, cpreg_indexes, ...)
+-> memcpy(cpreg_vmstate_values, cpreg_values, ...)
+-> cpu_post_save
+-> cpu_pre_load
/*
* 目的端会把cpreg_vmstate_values保存到list寄存器，并把list寄存器的值保存
* 到kvm和qemu cpustate寄存器里。
*/
+-> cpu_post_load
+-> cpu->cpreg_values[i] = cpu->cpreg_vmstate_values[v]
+-> write_list_to_kvmstate(cpu, KVM_PUT_FULL_STATE)
+-> write_list_to_cpustate(cpu)
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todo: 标记脏页逻辑
ACPI表构建
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| virt_machine_done
+-> virt_acpi_setup
+-> todo: ...
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